【foc电机控制·笔记二】位置传感器初了解

一、前言

1、各位看官且听好了。这上回说到，无刷电机就是从有刷电机变换过来的。这变换之后呢，就不能自行换相了（切换线圈供电）。这相不能切换了，这还了的，但工程师总有办法，他自然能解决这个难题。

2、话说原本有刷电机换相，是通过机械结构自行切换的。变换为无刷电机后，控制系统要先检测到转子的位置，然后再根据转子位置控制三相输出，这样往复循环，才能控制电机旋转。

3、既然是检测位置，那么就在电机周围放一圈传感器，只要我放的传感器够多，位置就足够精确。这当然可以，有一种电机就把这方面做到了极致，那就是伺服电机。

4、但是伺服电机可不是用这种笨方法，且不说传感器太多，是否有空间放得下，单单从成本方面考虑，就是一笔不菲价格。更好的办法是使用编码器，比如光栅编码器。

5、其实使用编码器虽好，但有些情况下，并不需要使用这么精密的位置传感器，且还有成本更加低廉的方案。那就是使用三个霍尔（hall）元件。

1、什么是霍尔传感器？知乎大佬有很详细的介绍

简单来理解，就是它可以检测到磁场的变化，并以电信号的方式输出。我们电机赖以旋转的是什么，是电磁相互作用力，电机最不缺的就是磁场。

2、电机里面使用的hall元件，是只会输出高低电平的类型，当电磁信号达到一定的阈值，电平信号就会发生变化。当然其中还包含很多的详细的参数，这并不是博主的专业。

为了方便理解，可以简单想想成，霍尔会检测N和S极，并根据NS极分别输出高低电平。

3、理解了hall元件的原理，那么为什么使用三个hall就能够检测到电机的位置呢。首先让我们回头思考一下有刷电机的换相。

奈何博主cad太水，只能上手绘大法。首先把图中心的圆想象成有刷电机的三个金属片，而搭在金属片上的两条杠就是电刷，当电机按照逆时针方向旋转的时候，触碰到电刷的金属片也在不停的切换，当电机旋转一周，金属片（以及连接到内部的线圈）的通电顺序则也会按照AC、BC、BA、CA、CB、AB变换一个周期。

通俗的说，有刷电机有6个关键节点，有刷电机的换相发生在这6个关键节点的位置。

4、再联系上一章，无刷电机是在有刷电机的基础上，变换了参考对象转换过来的。那么也可以说无刷电机也有6个关键的节点，无刷电机只要在这6个关键的节点上换相，就能正确控制电机旋转。

5、那么现在的问题就是怎么检测这六个节点。六个传感器？太多了！三个传感器就够了。

首先把图中的圆圈想想成无刷电机的定子线圈，而ABC就是线圈夹缝中的传感器。

然后把＋－两条杠想象成磁钢，符号代表磁场方向。当hall传感器位于＋磁场时，输出高点平，记为1，反之则记为0。

然后将转子（磁钢）顺时针方向旋转，将ABC传感器的值分别记录，就得到一组数据，按照2进制转为为十进制数值，则分别代表了1-6的六个状态，在无刷电机里面称之为hall状态。是否和有刷电机的六个状态很相似？他们本质上是一个东西。

6、你要问为什么不把传感器放在线圈正中间？是因为夹缝中传感器状态变化时就是换相的合适时机。（可以参考有刷电机，线圈和（与电刷接触的）金属片是交错放置的。）

图中圆圈表示定子线圈，正负号表示通电后的电磁极性，带有正负号的横杠表示转子磁钢，而实线箭头代表定子磁场方向，虚线箭头代表转子磁场反方向。只有当两个箭头正交时，电机输出的力才是最大的。

通过三幅图可以看出，随着转子旋转，两个磁场的交叉角度逐渐减小，说明输出的力也在逐渐减小，当c相hall状态变化时（就是c相hall从转子磁钢的正极区域移动到负极区域的时刻），交叉角度已经很小了。但是此时变换线圈的磁场后，两个磁场刚好正交，也就是说此时是比较合适的换相时间。

1、如果你理解了上述的步骤，那么恭喜你，已经理解了bldc的基本原理。

那么接下来，我可以告诉你，其实可以把hall传感器也省掉了，还有这么神奇的事情？

2、当使用晶体管控制三项输出时，其实只需要三个线圈中的两个线圈就足够了。那剩下的一个线圈干什么呢？用作换相检测。线圈在磁场中旋转会产生感应电动势，转速相同下，角度不同，感应电压也就不同。所以可以根据感应电动势大小判断电机的旋转位置，进而进行换相。

有些同学就问了，启动时电机没有旋转，怎么检测换相呢？可以用感应电流做检测。因为三个线圈在磁场的不同位置，也即所处磁场强度不同，所以给相同电压时，随着电流升高，会产生不同强度的反电动势阻止电流升高，所以处于不同位置的线圈会有不同的电流提升速度。

当然还有一种普遍的控制方式，就是拖动电机先旋转，然后再用反电动势换相。但是重载启动会是一个不小的挑战。